2007. 9. 27 태양전지기술현황 -...

1 Solar Cells Research Center

윤윤 경경 훈훈

한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원

태양전지태양전지 기술기술 현황현황

http://http://solarpv.kier.re.krsolarpv.kier.re.kr

2007. 9. 272007. 9. 27

http://www.flexcell.ch/products/helios.html


목 차

태양광 개요, 시장, 산업 추이

결정질실리콘 태양전지 기술

박막 태양전지 기술 현황

- Si

- CIGS & CdTe

요약

3 Solar Cells Research Centerhttp://www.fourmilab.ch/earthview/vplanet.html

태 양 에 너 지

태양표면태양표면 복사에너지복사에너지

: 3.8 x 10: 3.8 x 102323 kWkW

지표면지표면 도달도달 태양에너지태양에너지 : 125: 125조조 (1.25 x 10(1.25 x 101414) kW) kW연간연간 전세계전세계 에너지소비에너지소비 (100(100억억 kW)kW)의의 약약 11만배만배

맑은맑은 날날 지표면지표면 도달도달 태양에너지태양에너지 밀도밀도 : 1 kW/m: 1 kW/m22

한국한국 도달도달 태양에너지태양에너지 : 1.29 x 10: 1.29 x 101414 kWhkWh20002000년년 국내국내 최종최종 에너지소비에너지소비 (1.74 x 10(1.74 x 101212 kWh) 74kWh) 74배배


Solar Energy Spectrum

• AM 1.5, 1 sun (1 kW/m2)


태양전지 구조 및 원리

동작원리동작원리 : : 입사된입사된 태양광에태양광에 의해의해 반도체반도체 내부에서내부에서

생성된생성된 전자와전자와 정공이정공이 pnpn 접합부의접합부의

전기장에전기장에 의해의해 외부로외부로 연결된연결된 부하로부하로

흐르게흐르게 되어되어 전력을전력을 공급공급

태양전지태양전지Solar CellSolar Cell

태양광태양광 어레이어레이PV ArrayPV Array

태양광태양광 모듈모듈PV ModulePV Module

p n접합

앞면전극

p 층

n 층

반사방지막

전자

정공

뒷면전극

전기부하

정공

전자

빛빛 흡수흡수 –– 전하전하 생성생성 –– 전하전하 분리분리 -- 수집수집


입

사광에너

지

(100%)

태양광

스펙트럼

불일치

(56%)

단파장과잉 에너지

장파장 투과

태양광

스펙트럼

일치(44%)

(32%)

(24%)

전압인자 손실 (16%)

이론효율한계

(28%) 출 력14~20%

재결합손실

AR, Texture

전극구조개선

BSF

(5~8%)(3~6%)Ref. Hideyuki Takakura, 太陽光發電, CMC, 2000년 9월

효율 개선책

(1)

(2,3)(4)

Ref.M.A. Green,3rd Generation PV, Physica E 14, 2002

Top cell

Bottom cell

탠

덤

결정 실리콘 태양전지의 에너지 변환과정과 손실요인

2, 3 : Voltage drop at junction and at contact

전압인자 손실 : 태양전지 출력전압의

한계인 개방전압

(무부하전압)과 반도체

금지대폭과의 비:실리콘 금지대폭 1.1eV, 개방전압 0.7 eV: 암전류 저감 또는 입

사강도의 증대(집광) : 16%가 한계


단락전류Isc

IM

개방전압: Voc

전류 (mA)

측정값측정값 표시표시

: STC (: STC (표준시험조건표준시험조건))•• Air Mass : 1.5Air Mass : 1.5•• 1 sun : 1,000 W/m1 sun : 1,000 W/m22

•• 전지전지 온도온도 : : 25°C

최대출력전류

최대출력전압: VM

태양전지 출력 (I-V) 특성 측정 60904-1

출력출력 측정측정 변수변수

•• 조사조사 강도강도 ((분광분광, , 총총))•• 온도온도

•• 분광분광 응답응답

•• 다이오드다이오드 특성특성

최대출력점(MPP) PM

Fill factor (충진율) :

FF =

VM IME AETA =

Efficiency (변환효율) :

E: Irradiance (총 조사강도)A: module or cell area (전지 면적)

VOC ISC

VM IM x 100%

x 100%

전압 (mV)


‘‘97, 97, HallaHalla Mountain Cheju, 9 Mountain Cheju, 9 kWpkWpWaWa island, 10 island, 10 kWpkWp

‘‘98, 98, KAIST, Taejon, 30 KAIST, Taejon, 30 kWpkWp ‘‘98, 98, KIER, Taejon, 30 KIER, Taejon, 30 kWpkWp

국내외국내외 태양광발전태양광발전 설치설치 사례사례 (II)(II)


‘‘0404, , KIER, KIER, DaejeonDaejeon, 10 kW, 10 kW

국내외국내외 태양광발전태양광발전 설치설치 사례사례

’’02, Denmark, Sol 30002, Denmark, Sol 300

’’06, 06, 김천김천


PV systems for houses and buildings : BIPVPV systems for houses and buildings : BIPV

BIPV : BIPV : Building Integrated PVBuilding Integrated PV건축일체형건축일체형 태양광시스템태양광시스템


’’99, 99, 네덜란드네덜란드, Amersfoort, 1 MW, Amersfoort, 1 MW

’’99, 99, 독일독일, Mont, Mont--Cenis, Herne, 1 MWCenis, Herne, 1 MW

국내외국내외 태양광발전태양광발전 설치설치 사례사례


Grid-connected centralized

이탈리아이탈리아 SerreSerre, 3.3 MW, 3.3 MW

독일독일 Leipzig, 5 MW (Leipzig, 5 MW (’’04. 7)04. 7)


광주광주, 1MW, 1 axis, 2006, 1MW, 1 axis, 2006

동해화력동해화력, 1MW, 2006, 1MW, 2006


PV Consumer ProductsPV Consumer Products

integrated photovoltaics

http://windupradio.com/

http://service.semic.sanyo.co.jp/

http://www.siliconsolar.com/

http://www.siliconsolar.com/../12v--6v-Solar-Battery-Charger-p-134.html


태양전지태양전지 이용이용 사례사례

’’04, Spirit Rover, 140W04, Spirit Rover, 140W

’’07, ISS07, ISSSolar Car, Honda, Solar Car, Honda, ‘‘9696

‘‘96, 96, Pathfinder Sojourner, 16 WPathfinder Sojourner, 16 W


태양광발전 용량

1kW

설치 면적6 - 10 m2

발전 전기 매입

독일 : Feed-in tariff미국 : Net-metering일본 : Net-billing한국 : 발전차액

연간 발전량 :700 - 2,500 kWh

Source: RTS Corporation

<10kW독일: 7,400 $/kW미국: 7,000 - 10,000 ＄/kW일본: 6,000 $/kW

>10kW독일: -미국: 6,500 - 9,000 ＄/kW일본: 6,600 ＄/kW

모듈, 시스템 성능 차이

일조량 차이

설치 비용 (2005)

태양광시스템이해

국내국내 1 kW 1 kW 설치설치 시시

연간연간 발전량발전량

약약 1,000 kWh1,000 kWh

표준시험조건표준시험조건 : : 일조강도일조강도

1 kW/m1 kW/m22

효율효율 10% : 10 m10% : 10 m22 = 1 kW= 1 kW

한국 : 980 만원/kW


Capacity Fixed Price (Won/kWh)[After Oct.11. 2006]

Previous Price Reference

Over 30kW 677.38

Under 30kW 711.25 716.40 Reduction rate 4%

(after 3year) More 3kW

Feed-in-Tariff (FIT)• Government purchases PV electricity at special rates

- FIT rate good for 15 years - FIT rate changes periodically- Wind : 107.7 Hydro : 73.7 LFG : 61.8-65.2

Feed-in tariff per kWh up to 30 kW 30–100 kW from 100 kW

on buildings and noise protection walls €ct 49.21 €ct 46.82 €ct 46.30

Façade-integrated + €ct 5Ground-mounted €ct 37.96

EEG, Germany

- Basic tariff: 0,30EUR/kWh - BIPV: 0,55 EUR/kWh

France

- 44,0381 €c/kWh (< 100 kW)- 22,9764 €c/kWh (> 100 kW)

Spain

Korea


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Year

MW

기 타일 본유 럽미 국

기 타 3 3.5 4.5 6 6 6 6 7.5 9.8 9.4 18.7 20.5 23.4 33.8 55.9 103 176 323 714일 본 10.8 15.1 17.7 19.9 18.8 16.7 16.5 16.4 21.2 35 49 84.5 129 171 247 364 594 833 927유 럽 7.1 7.9 9.8 13.4 16.4 16.6 21.7 20.1 18.8 30.4 31.8 36.4 60.7 97.5 141 202 344 477 678미 국 13 14.4 16.1 17.1 18.2 22.4 25.6 32.4 38.9 51 53.7 60.8 75 99.8 116 83.8 142 154 202

88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 1 2 3 4 5 6

전세계지역별태양전지생산추이

2006년

2,520 MW

국내 : 18 MW


China; 15,1%

India; 1,4%

Japan; 36,4%

Rest of Asia; 3,7%

Australia; 1,3%

Middle East; 0,3%

Germany; 20,0%

Europe; 8,2%

USA; 6,8%

Taiwan; 6,7%

2006년국가별태양전지생산


World Top Solar Cells Manufacturers


Global Annual Installations

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

2001 2002 2003 2004 2005 2006

MW

p

ROWUSAJAPANGermany


전자제품특수용 독립형

계통연계주거용 독립형

경제성

확보

지원 대책

의존

Source: Strategies Unlimited - EPIA

84 %(1106 MW)

8 % (108 MW)

2 % ( 24 MW)

7 % ( 96 MW)

Market Segments


1.21.5

22.6

3.5

4.6

6

0

1

2

3

4

5

6

7

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

PV P

rodu

ctio

n (G

W)

8.311.1

15

18.6

23.9

29.4

36.1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Rev

enue

(US$

bn)

전세계태양전지시장 예측

2010년 : 6 GW 2010년 : $ 361억

M. Rogol, Solar Power, CLSA Asia-Pacific, July 2005

1.72.6

46

10

15

21

0

5

10

15

20

25

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

PV P

rodu

ctio

n (G

W)

M. Rogol, Photon Consulting, April 2007

발전단가

- 2006년 : $3.6/W- 2010년 : $2.5/W

$ 375 억


PV installed in Korea : Annual & Cumulative

Year

kWp

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

누적

보급량

(kW

)

집중배치 계통연계 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1310 10467분산배치 계통연계형 0 0 0 0 100 133 266 288 356 524 761 971 3175 6551 18323주거용 독립형 59 149 175 219 256 296 306 316 528 608 608 628 753 853 983특수용 독립형 1412 1482 1506 1550 1757 2046 2410 2855 3076 3625 4041 4382 4606 4810 4960

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

5 MW

2.6 MW

21 MW


1세대 : 단, 다결정 실리콘

2세대 : 박막 태양전지 (실리콘, 화합물 반도체, 염료감응, 유기)3세대 : 나노, QD, 유무기 복합형 ?

(고효율, 박막, 소재 풍부, 무해, 신뢰성)

태양전지의분류


태양전지 종류별 생산량 점유율 추이

Photon Int,l, March 2007

• 점유율 증가

• 전체 생산량 증가

• 실리콘 >> 화합물a-Si 4.7%CdTe 2.7%CIGS 0.2% 합계 7.6%

• sc-Si : 38 %• a-Si/c-Si (HIT) : 6%

4.1 4.3 5.6 4.6 4.4 3.3 3 2.70.2 0.2 0.2 0.2 0.6 0.4 0.2 0.2

12.3 9.6 8.96.5 4.5 4.3 4.7 4.7

0.50.3 0.5

0.7 1.1 1.1 1.4 2.7

42.1 48.2 50.251.6 57.2

54.7 52.346.5

40.8 37.4 34.6 36.432.2

36.2 38.443.4

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

sc-Si

mc-Si

CdTe

a-Si

CIS

ribbon/sheet Si

박막태양전지


0 5 10 15 20 25 30

Oil

Wind

Gas

Nuclear

Coal

Solar PV 2006

Solar PV 2010

Solar PV 2015

발전단가 (cents/kWh)

2-4

2-6

2-7

4-6

6-8

20 - 25

10 - 15

< 10

M. Rogol, Photon Consulting, April 2007

태양광 발전단가 (cost) 예측


실리콘 소재 태양전지

단결정단결정 SiSi 리본리본 SiSi다결정다결정 SiSi


Crystalline Silicon Solar CellStandard Screen-printed silicon solar cell

M. Green, Crystalline Silicon Solar Cells, Clean Electricity from Photovoltaics, 2001

process steps:

• saw damage removal

• texturing

• phosphorous diffusion

• edge isolation

• oxide etching

• screen-printing

• firing

(참조 : multi-Si solar cells)


o 역피라미드 표면 : 반사방지 + 이중 반사방지

o 전후면 재결합 방지 산화막 200A

o P+, n+ 접촉저항 최소화

o 공정 소요 : 3일

o IC processing technology gives 24.7%

o 26.7% under concentration

PERL Silicon Solar Cell Technologies PERL Silicon Solar Cell Technologies PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused) cell

A = 4 cm2

Jsc = 42.2 mA/cm2

Voc = 706 mV FF = 82.8 % η = 24.7 %


Rear Contact Silicon Solar CellRear Contact Silicon Solar Cell

Rear contact Solar Cells

front rear

21.8 %


Edge-defined Film-Fed Growth

Schott Solar

http://www.schott.com/photovoltaic/

두께 : 0.3 mm125 x 125 mm


기판CZ, n-type, 1-5Ω-cm, 250㎛

ITO (TCO + AR)

p+ a-Si:H (<10nm)i a-Si:H (<5nm)

i a-Si:H (<5nm)n+ a-Si:H (<10nm)

Sanyo HIT Solar Cells : 22 %

aa--Si:H/cSi:H/c--Si HIT Silicon Solar CellSi HIT Silicon Solar CellHIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) solar cell

Substrate : n-type (high carrier lifetime)Front and rear surface passivation (a-Si:H)Back surface field후면 a-Si:H/TCO : internal reflection 향상, 저항 최소화

ITO

- High efficiency by excellent surface passivation with a-Si layers- Less thermal stress through low temperature process ( 200oC)- Advantage in high temperature performance

34 Solar Cells Research CenterG..P.Willeke, 19th EU-PVSEC, June(2004)

50μm thick

TTo improve efficiencies for 50mm thick Si solar cellso improve efficiencies for 50mm thick Si solar cells

Efficiency 20,2%Wafer thickness 42 μm


타 발전 기술 대비 태양광 경쟁력 확보 방안

기존 결정질 Si 태양전지

• 장점 : 고효율, 신뢰성

• 단점 : 저가화 한계

- 두께 한계 : 2-300 μm- 공정이 단속적

박막 (Si, I-III-VI, II-VI, Organic..) 및 신형 태양전지ㅇ 고효율, 신뢰성, 외관 미려, 발전량 > c-Siㅇ 저가

- 두께 < 2-3 μm- 연속 대량생산

- 저에너지 소비형 공정 (EPB < 1.5 년, 장기 0.5년)- 저가의 기판재료 이용 (유리, 금속, 플라스틱)

기존 기술의 보완

• 고효율, 저가화

• 박판 직접 제조, 구형화, 원료 재생

• 웨이퍼 박형화 < 50 μm• economy of scale

단-중기

중-장기


1세대 : 단, 다결정 실리콘

2세대 : 박막 태양전지 (실리콘, 화합물 반도체, 염료감응, 유기)3세대 : 나노, QD, 유무기 복합형 ?

(고효율, 박막, 소재 풍부, 무해, 신뢰성)

태양전지의분류


VON ARDENNE, 2007

박막태양전지구조비교


실험실 전지모듈

시제품상업용 모듈

단결정 Si 24.7 22.7 16.9다결정 Si 20.2 17.2 14.0

미결정 Si 박막 15.0 11.6 10.0비정질 Si 박막 13.0 10.7 7.9

CdTe 박막 16.5 11.0 9.0CuInGaSe2 박막 19.5 13.6 11.0

염료감응 11.1 5.0유기 폴리머 4.8

태양전지 종류별 최고 변환효율 (%)

GaAs single : 27.8 % (0.2 cm2, 216 suns)GaInP/GaInAs/Ge : 39.3 % (0.378 cm2, 179 suns), 40.7% (240 suns)GaInP/GaAs/Ge : 27.0 % (34 cm2, 10 suns)


glass

TCO 600 nm

a-SiC:H (p) 10 nm

a-Si:H (i) 500 nm

a-Si:H (n) 30 nm

전극 400 nm

태양광

aa--Si Si 박막박막 태양전지태양전지

Wolfgang Diehl et al, Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST, Seoul, October 31, 2006


aa--Si Si 박막박막 태양전지태양전지

장점 : 저가 대량생산, 다중접합 (이론효율, 28, 36, 42%)• 실리콘 원재료 풍부• a-Si 광흡수계수 > 105 cm-1 이상 : 두께 100 ~ 500 nm • 붕소, 인을 이용하여 p형, n형 도핑 용이• 제조 온도 < 250 ℃, 대면적, 제조 가능, 다양한 기판• a-Si + H, Ge, C : 밴드갭 1.3 ~ 2.0 eV ; 다중 접합• 저온에서 수소희석(H2 dilution)법으로 μc-Si 제조 가능

문제점 및 향후 추진 방향• 안정화 변화효율 향상

- 초기 열화 현상 해소 : 다중접합 (열화 10-17%)- 기본 메커니즘 분석

• 수율 향상

- 박막 성장 속도 향상 : 현재 0.1 nm/sec - 새로운 제조공정 : Hot wire CVD, VHF PECVD

• Ge, C 합금에 따른 결함밀도 증가요인 이해


TCO/GlassTCO/Glass

Scribing of Scribing of TCOTCO

Deposition of pin SiDeposition of pin Si--filmsfilms

Scribing of Scribing of pin Sipin Si--filmsfilms

Deposition of Back Deposition of Back ElectrodeElectrode Scribing of ElectrodeScribing of Electrode

P I NP I N

실리콘실리콘 박막박막 태양전지태양전지 모듈모듈 제조제조 공정공정

경량, 유연성 대면적BIPV 적합성

http://www.flexcell.ch/products/helios.html


Single-junction Double-junction (tandem)Same gap dual gap

Triple-junction

비정질실리콘비정질실리콘 박막박막 태양전지태양전지 구조구조


미미, , 다결정다결정(micro, poly(micro, poly--) Si ) Si 박막박막 태양전지태양전지

ㅇ 단결정, 다결정 Si wafer높은 변환효율높은 제조원가 및 원료물질의 고갈

ㅇ 비정질 Si 박막 태양전지저가 제조공정낮은 변환효율 및 안정성 문제

결정질결정질 Si Si 박막박막 ::

저가저가 고효율고효율 태양전지태양전지

REQUIREMENTS- Thick i-layer (> 2μm)- Need high deposition rate (10A/sec)- Hot wire CVD, HF PECVD


aa--Si:H/Si:H/μμcc--Si:HSi:H tandem cellstandem cells

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

400 600 800 1000wavelength (nm)

quan

tum

effi

cien

cy

UV - VIS - IR

topcell

bottomcell

a-Si:Htop-cellµc-Si:Hbottom cell

glass

Current matching between top and bottom cells- high jsc at μc-Si:H bottom cell - low current loss at TRJ (Tunnel recombination junction)

Thickness control of top and bottom cellsEfficient light trapping


Iowa Thin Film's "PowerShade" Tent

aa--Si Si 모듈모듈, , 어레이어레이

Fuji Electric, Flexible Module

http://www.mhi.co.jp

1 MW (MHI) Germany, Nov. 2004


탠덤탠덤 Si Si 박막박막 모듈모듈

Uni Solar 64 W, SUS ubstrate Kaneka 36.5 W, Glass substrate Sharp 58.4 W, Glass substrate


실리콘실리콘 박막박막 태양전지태양전지 상업상업 생산생산 또는또는 개발개발 회사회사미 국

United Solar PowerFilm Terra SolarEPV BP Solar (철수)

일 본

Sanyo Kaneka Mitsubishi HeavyFuji Electric Sharp

유 럽

Schott Solar (독) ErSol (독) Q-Cells (독)Sunfilm (노르웨이) Free Energy Europe (네,프) VHF Tech (스위스)Solems (프) Solar Cells (크로아티아) Solar Plus (포르투갈)CSG Solar (독)

중 국Shenzhen Topray Solar Tianjin Jinneng Solar Shenzen TronyShenzen Sunmoncle Harbin Chronar Soltech Corp.Suntech

대만 : Sinonar Green Energy Tech. (GET)태국 : Bangkok Solar 인도 : Moser Baer 싱가포르 : SolarMorph

출처 : http://www.solarbuzz.com/solarindex/CellManufacturers.htm


화합물화합물 박막박막 태양전지태양전지

Cu(In,Ga)Se2

CdTe


CIGS, CIGS, CdTeCdTe 화합물화합물 박막박막 태양전지태양전지

장점 : 고효율, 신뢰성

ㅇ 밴드갭 최적 (CdTe 1.45 eV), CIGSS 1.0 - 2.5 eV 다중접합 전지

ㅇ 직접천이형 반도체 optical absorption 계수 높음 : 박막화

ㅇ 장기간 신뢰성

ㅇ 다양한 제조공정 (CdTe)

문제점 및 향후 추진 방향

ㅇ 실험실 변화효율의 향상

- 물질 특성 이해

- 기본 메커니즘 분석

- 탠덤 구조

ㅇ 저가 대면적 제조장치

- 실험실의 고효율화 기술 실용화

ㅇ Cd 독성 : recycling

ㅇ 자원 부존량 : recycling, 초박막화


• 높은 광흡수 계수 (박막형 태양전지 제조에 적합)

• 소면적 : 19.5% (NREL), 모듈 : 14%, 이론효율 : 22-23% (single) 26-28% (tandem)

• 화학적으로 매우 안정하여 우수한 out-door stability

• 저가

• 우수한 Radiation-Hardness

• Recycling 가능

CIGS CIGS 박막박막 태양전지의태양전지의 개요개요


Manufacturing Technologies and Materials for CIGS device

Device Structure

Wuerth Solar_ Coevaporation

Showa Shell Sekiyu_ Selenization/Sulfurization

Substrate Soda-lime glass(3 mm thick. ) (1.8 mm thick.)

Base Electrode Sputtered-Mo

Pattern 1 Laser

p-type Absorber

Cu, In, Ga, SeCoevaporation

(CIGS)(One step Method)

Tsub>520 °C

Cu-Ga alloy/In Stacked Precursor+ Selenization/Sulfurization

(CIGSS/CIGS)

Tsub<520 °C

n-type Buffer

CBD-CdS

CBD-Zn(O,S,OH)x

Pattern 2 Mechanical Scribing

n-type Window (TCO)

Sputtered-ZnO:Al (AZO)Thicker than 1 µm

MOCVD-ZnO:B (BZO)Thicker than 1 µm

Pattern 3 Mechanical Scribing

K. Kushiya, Showa Shell Sekiyu K.K., Busan, 2006


Wurth Solar(120x60cm) Shell Solar

Global Solar(Flexible)

CIGS CIGS 박막박막 태양전지태양전지 모듈모듈

HondaTitan Energy,India, CIGS Global Solar, CIGS

Wurth Solar 80 W

sc-Si & mc-Si 모듈

http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20061204/124913/?SS=imgview_e&FD=2088868896

http://www.alibaba.com/catalog/11744063/Cigs_Solar_Module/showimg.html


(a) 13 kW (Wurth Solar) (b) 50% 반투명 (Wurth Solar)

(d) 85 kW (Shell Solar) (e) 245 kW CIGSS (Shell Solar)

(f) CIGS on SUS (Matsushita Electric) (g) 70 kW (HONDA)

(h) 30W X 20 모듈 (Showa Shell) (i) 천막용 모듈 (Global Solar)

CIGS CIGS 박막박막 태양전지태양전지 설치설치 사례사례

Polycrystalline-Si

CIS

4kW system in AIST, Tsukuba. Sep. 2004

Wurth Solar


CdTeCdTe PV modulesPV modules structurestructure


CdTeCdTe MManufacturing Equipmentsanufacturing Equipments

In the fourth quarter of 2006, CdTe Module Manufacturing cost : $ 1.25/W to $ 0.65/W by economies of scale

“2.5 hours from glass to module”David Eaglesham, First Solar, MRS 2007, April 12, 2007


CdTeCdTe PV modulesPV modules applicationsapplications

부흐하임 솔라파크, 3.8 MW, Dec. 2006


CIGS CIGS 화합물화합물 박막박막 태양전지태양전지 상업상업 생산생산 또는또는 개발개발 회사회사

CdTeCdTe 화합물화합물 박막박막 태양전지태양전지 상업상업 생산생산 또는또는 개발개발 회사회사미국 : First Solar PrimeStar solar 독일 : ANTEC

USAGlobal Solar Energy, ITN EPV DaystarISET Nanosolar MiasoleHeliovolt Ascent SoloPower

JapanShowa Shell HondaShinco Elect. (新光電氣) Matsushita Electric (철수)

GermanyWürth Solar CIS Solartechnik Sulfurcell SolartechnikSolarion IST Frankfurt/Oder Aleo/ifeShell Solar (독) + Saint Gobain = AVANCIS Johanna Solar

Solibro AB (Sweden) EDF (France) Flisom (CH)


ARC

TCO Bandgap

(n)

Top cell Top cell absorber (p) 1.6-1.8 eV

Tunnel p ++

Junction n ++

(n)

Bottom Cell CuInGaSe2 (p) 1.0-1.2 eV

Back contact

Low cost substrate(glass, polymer, SS)

태양광

HighHigh--Efficiency : Tandem StructuresEfficiency : Tandem Structures

5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.20

1

2

3

4

CuGaTe2 CuInTe2

AgInSe2

AgGaSe2

CdS

AgGaS2

AgInS2

InP

G aAsSi

CuInS2

GaP

CuInSe2

CuGaSe2

CuAlSe2CuGaS2

Band

gap

ene

rgy

(eV

)

Lattice constant (A)

CuAlS2

CdTe top 4-terminal- eff. = 15.3%CGS 4-terminal- eff. = 9.7%AIGS top 4-terminal- eff. = 11% AIGS 2-terminal- eff. = 9.2%


Structure Eff. (%)

NREL Steel/Cu(InGa)Se2 17.50 Flexible

HMI Titanium/Cu(InGa)Se2 16.2 Flexible

14.1

18.6

ETHZ Polyimide/Cu(InGa)Se2 Flexible

NREL/AGU Cu(InGa)Se2/Zn(S,O,OH) Cd free CBD

CIGS-based Cells

substrate/Mo/CIGS/buffer/ZnO

R. Klenk, Chalcopyrite Based Solar Cells, “Thin Film Solar Cells”, Wiley Series, 2006

Low-cost : 두께 축소 (CIGS, CdTe 박막 태양전지 효율)

t (µm) VOC (V) JSC (mA/cm2) FF (%) Efficiency (%)

1.0 CIGS 0.676 31.96 79.47 17.16 NREL

0.75 CIGS 0.652 26.0 74.0 12.5

0.40 CIGS 0.565 21.3 75.7 9.1

0.47 CIGS 0.576 26.8 64.2 9.9 EPV

0.87 CdTe 0.772 22.0 69.7 11.8 U. of Toledo

Rommel Noufi et al, NREL, WCPEC-4, 2006


Roll-to-roll processing

Printable TCO

Low-cost substrates for roll-printed solar cells

Rapid Thermal Processing (RTP)

Nanocomponents Printable ink

Fast assemblyString, Module

LowLow--cost Process : Rollcost Process : Roll--toto--Roll CIGS Roll CIGS 박막박막 태양전지태양전지

+

http://www.nanosolar.com/


대량생산 : 박막 태양전지, 시스템 저가화 가능성

M.S. Keshner and R. Arya, Hewlett Packard, Palo Alto, California, NREL/SR-520-36846, “Study of Potential Cost Reductions Resulting from Super-Large-Scale Manufacturing of PV Modules”, Oct. 2004

Solar City Factory - 공장 규모 : 2.1 – 3.6 GW- 동일 설비 : 100 라인

- Cost : $ 30 M(NRE)+ 100 x $ 2.5 M/line = $ 280 M

- 5개 서브 팩토리

유리기판, 박막제조/패터닝, 고순도소재 재생, 모듈 패키징, 알루미늄

모 듈 : $ 0.5/W시스템 : $ 1/W

Cluster tool


박막박막 태양전지태양전지 원재료원재료 부존량부존량

B. A. Sanden (formerly Andersson), 2003, “Materials availability for thin film PV and the need for ‘technodiversity’,

EUROPV 2003, Granada, Spain.

63 Solar Cells Research CenterKen Zweibel, The Terawatt Challenge for Thin-Film PV, NREL/TP-520-38350, August 2005

Potential installed TW of CIGS and CdTe in 2065 (with complete recycling) : 자원 부존량 한계

CIGS : 3.4 TWCdTe : 6.0 TW by 2065

* Current US Energy Consumption : 3 TW


Dye sensitized solar cells

Advantages- non-vacuum process- inexpensive component materials

Technical issues- improvement in efficiencies and stability- design of large area modules- replacement of liquid electrolyte by solid-state materials

’1991 M. Graetzel, EPFLB. O'Reagan and M. Graetzel, Nature 1991, 353,

TCO

I-/I3- electrolytes

Dye

Glass

GlassTiO2 nano-crystalline(10~30nm)thickness 10μm

TCO

65 Solar Cells Research CenterJin Young Kim et al, Science, 317, p. 222, 2007

Jsc = 7.8 mA/cm2, Voc = 1.24 V, FF = 0.67, η = 6.5%.

Organic Tandem Solar Cells

• could be cheap, but will not last long outdoors in the sun• (OK for indoors, consumer goods, etc.)

To compete with silicon modules, they would require:• Some form of cheaper transparent conducting layer• At least 10% efficiency• A break-through in cheap, effective, transparent encapsulation

the tandem cell retained ~70% of its original efficiency after 40 hours and over 60% even after 100 hours


박막 태양전지 시장 전망

Source: W. Hoffmann, RWE Schott Solar, Sep. 2004, Brussels

c-Si : 2025년까지 시장 주도

thin film : 2010년 부터 점유율 부각

"New Concepts“ : 2015년 이후 등장

0500

100015002000250030003500

020406080100120140

2002 2005 2010 2015 2020 2025 2030

MW GW30%p.a. 25%p.a.

• 2010년 20% 점유 예상


일본 PV Road Map 2030


• 1980년 대부터 소규모, 간헐적 정부 지원, 연구소, 대학 기초 기술개발 추진

• 선진국 대비 기술수준 : 실험실 70%, 실용화 30%

• 2004년 이후 정부 지원 급증 : 단기 실용화 치중, 박막에 기업참여 및 장기전략 미흡

국내 기술개발 상황

( ) 국내 최고 효율 %

실험실 전지모듈

시제품상업용모듈

단결정 Si 24.7 (20.0) 22.7 16.9 (14.0)14.010.07.99.011.0

다결정 Si 20.2 (15.5) 17.2 SDI, KPE

SDIKAIST, KIERKAIST, SK

KAIST, 고려대, KIERKIER, KAIST

미결정 Si 박막 15.0 (12.7) 11.6비정질 Si 박막 13.0 (9.5) 10.7 (6)

CdTe 박막 16.5 (14.0) 11.0CuInGaSe2 박막 19.5 (17.8) 13.6

염료감응 11.1 (11) 5.0 KIST

• 한국철강 : a-Si 박막 생산 진출 LG 전자 : a-Si/μ-Si 기술개발 준비

• KIER, KAIST : CIGS 미니 모듈 개발 추진 ( ~ ’07. 12)• 최근 기업 관심 고조


결정질실리콘으로부터박막태양전지추세변화- 2006년총생산중 박막태양전지점유율 : 7.4 % (145 MW)- 2010년약 20% 점유예상 (2 GW) : 저가고효율기술개발에좌우

Risk : Si < CdTe < CIGS Potential : Si < CdTe < CIGS

Si : 전력, BIPVCdTe : 전력 (BIPV ?)CIGS : 전력, BIPV, 우주용 ?

우리나라의여건 : -선진국대비기술격차큼-인프라, 인력부족, 기업참여빈약-중국이미진출 (a-Si)

산업화전략-박막태양전지집중전략-체계적, 집중적기술개발 : 격차해소-외국으로부터기술 (박막제조장치등) 도입적극모색

요 약


감사합니다

2007. 9. 27 태양전지기술현황 -...

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